基于详细反应机理简化建模的化学流体力学计算方法

能源的高效利用及清洁排放，要求对燃烧过程进行精确的数值模拟。目前，燃烧研究已经深入到关键自由基的调控方面，这需要采用详细反应机理模型来模拟计算燃烧过程。一般采用通观模型考虑化学反应的计算流体力学（CFD）模拟计算方法已经无法考虑中间产物以及自由基的影响，因此采用详细反应机理简化模型模拟燃烧过程的方法研究越来越受到重视。但是已有的单一机理简化模型难以适应整个计算区域，模拟的精确度和程序的鲁棒性还需改善。因此，本项目提出建立基于组分浓度分级的化学反应简化机理模型，发展适应网格区域的机理简化模型算法，并通过程序实现简化建模的自动生成；发展流动和简化反应机理模型相结合的算法，得到不同网格区域中流动和化学反应强烈耦合时的处理方法；发展简化建模的高效算法，将简化模型植入CFD程序；与实验数据对照验证，实现简化模型及其与CFD耦合算法的优化，最终建立基于详细反应机理简化建模的化学流体力学计算方法。

本项目发展了反应机理的简化程序及其与Chemkin和CFD程序的接口，实现了详细化学反应机理简化、验证及其耦合CFD程序的功能。在实验研究基础上，采用基于简化化学反应机理模型CFD方法模拟计算了三种典型的燃烧问题，包括氯元素对于一氧化碳氧化的影响、碱金属钠对NO选择性非催化还原作用的影响以及甲烷高压富氧燃烧层流扩散火焰等，对于实验结果与数值结果进行了相互验证。以下为简要的研究总结：..在以火焰温度及OH自由基等分布为关键参数的基础上，提出采用燃料混合的进程(混合进程变量)和发生化学反应的程度(反应进程变量)为燃烧的关键特征参数，并参考其分布来划分不同化学反应区域。只在火焰中心区域采用比较复杂的简化机理，而在燃烧后区域等采用简单的简化机理，这样明显地减少了计算量。利用自编化学反应机理简化程序，对涉及CO/O2/HCl/H2O/N2的详细化学反应机理进行简化和验证，并耦合到计算流体力学CFD软件研究了微量HCl在不同浓度、温度和当量比条件下对CO燃烧的影响。结果表明，氧气过量条件下，微量HCl对CO的燃烧有明显的抑制作用，该抑制作用随HCl浓度的增加而增强，随温度的升高而减弱。..得到包含C/H/O/N/S/Cl/K/Na元素的简化反应机理，研究了微量碱金属添加物对NH3选择性非催化还原NO的影响。结果表明，碱金属添加物使得“温度窗口”向低温方向扩展50~100 K，并在较大温度范围内增加脱氮效率。采用基于甲烷高压反应的骨干反应机理，对0.1-4 MPa压力范围内CH4富氧燃烧层流同轴射流扩散火焰进行了数值研究。计算结果与实验结果吻合良好，能够准确预测高压富氧情况下的火焰温度、轮廓、NO排放指数以及碳黑浓度等。